適應光伏并網的電力優(yōu)化調度方法

劉傳新

【摘 ?要】隨著人們的生活質量在不斷的提高，對于用電的需求在不斷的加大，光伏出力具有隨機性和波動性，大規(guī)模光伏并網將對電力系統(tǒng)帶來較大的沖擊，研究適應光伏并網的電力優(yōu)化調度方法具有重要的實際意義。本文分析了光伏的典型出力特性，構建了光伏消納優(yōu)化調度模型，并采用內點法求解，最后以IEEE30節(jié)點系統(tǒng)為例分析了光伏消納優(yōu)化調度方法的應用效果。

【關鍵詞】光伏并網;電力生產;優(yōu)化調度;光伏消納

引言

由于能源危機、環(huán)境惡化等問題，諸多國家正在加快太陽能、風能的開發(fā)與利用，太陽能光伏（photovoltaic，PV）發(fā)電和太陽能光熱（concentratingsolar power，CSP）發(fā)電已經成為當前太陽能發(fā)電技術路線的主流。光伏發(fā)電間歇性、波動性和隨機性的特點，給電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行帶來了諸多問題，加劇了大規(guī)模并網情況下電力系統(tǒng)的調峰壓力，對系統(tǒng)的調峰平衡帶來負面影響。因此，諸多文獻對于含光伏并網的系統(tǒng)調度模型做了研究。將碳交易機制引入電力系統(tǒng)經濟調度中，構建了考慮大規(guī)模光伏電源接入和CO2排放經濟價值的優(yōu)化調度模型。以最小化經濟成本和電網供電方差為目標，建立了含光伏和蓄能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)調峰調蓄優(yōu)化調度數學模型，最大程度實現(xiàn)區(qū)域電網的削峰填谷。為了提高分布式光伏在配電網中的滲透率，平抑其并網功率波動，提出一種包括配電系統(tǒng)實時調度和儲能電站站內功率分配雙層結構的儲能電站實時調度方法。

1概述

1.1光伏出力特性

光伏電站初始投資包括光伏組件、并網逆變器、配電設備及電纜、電站建設安裝等成本，其中光伏組件投資成本占初始投資的50%～60%。光伏電池組件效率的提升、制造工藝的進步以及原材料價格下降等因素都會導致光伏發(fā)電成本的下降。目前，組件生產成本已顯著下降，為光伏發(fā)電成本的降低起到推動作用。但光伏出力的波動也較大，對系統(tǒng)造成較大的影響。系統(tǒng)發(fā)電效率影響因素包括光伏電池組本身的轉化效率、系統(tǒng)使用效率和并入系統(tǒng)電網前的中間損失等，其中，光伏電池組本身的轉化效率起著基礎性的作用，而決定光伏電池組轉換效率的是太陽能電池的光電轉換效率。光伏電站出力受太陽能資源的影響，具有規(guī)律性和波動性。

1.2光伏電站運行機理

當前，中國的并網光伏發(fā)電呈現(xiàn)著“分散開發(fā)、低壓就地接入”與“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”的兩種主要發(fā)展趨勢，建設大型并網光伏電站是集中利用太陽能的重要方式。相比離網光伏發(fā)電系統(tǒng)，大型并網光伏電站可以略去蓄電池儲能環(huán)節(jié)，基于最大功率點跟蹤技術（MPPT）實現(xiàn)系統(tǒng)效率的提升;相比小型并網光伏發(fā)電系統(tǒng)，大型并網光伏電站可以集中利用太陽能，通過采用逆變器并聯(lián)、集中管理和運行控制技術，可在不同運行場景下充分利用太陽能的時間特性和儲能技術，對電力系統(tǒng)起到削峰、無功補償的作用。

2光伏并網的電力優(yōu)化調度方法

2.1第一階段優(yōu)化

大型光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地并網運行后，由于光熱電站配備了大容量的儲熱裝置以及具備快速爬坡能力的汽輪機組，該系統(tǒng)對于電網而言具備了調節(jié)電網峰谷差、改善負荷曲線、增強電力系統(tǒng)靈活運行的作用。因此，在第一階段優(yōu)化過程中，以削減系統(tǒng)負荷峰谷差為目標，應用粒子群優(yōu)化算法，建立光伏光熱電站的調峰的優(yōu)化調度模型，為第二階段的機組組合和經濟負荷分配提供等效負荷數據。

2.2第二階段優(yōu)化

第二階段的火電機組優(yōu)化調度在第一階段優(yōu)化后的等效負荷的基礎上進行。優(yōu)化目標是在調度周期內和一定約束條件下，合理安排機組啟停和經濟負荷分配，使得總發(fā)電成本最低。

2.3求解方法

遺傳算法是一種建立在自然選擇原理和自然遺傳機制上的迭代式自適應概率性搜索方法。它模擬自然界中生物進化的發(fā)展規(guī)律，在人工系統(tǒng)中實現(xiàn)特定目標的優(yōu)化。目前遺傳算法發(fā)展迅速，已被廣泛應用于解決各種問題，例如，系統(tǒng)優(yōu)化、機器學習、工程控制、模式識別、人工智能、故障診斷以及計算機技術等領域，取得了良好的效果。遺傳算法的基本思路是，利用數字編碼模擬由遺傳算子作用這些編碼構成的群體的進化過程。遺傳算法求解過程類似于生物進化，通過作用于染色體上的基因，尋找好的染色體來求解優(yōu)化問題。遺傳算法通過選擇操作，有組織地，隨機地交換信息來重新組合那些適應性好的個體，同時也在某些個體結構中嘗試用新的基因去替代原有的基因來生成新的個體。遺傳算法相比傳統(tǒng)算法最大優(yōu)勢在于對優(yōu)化模型的數學形式要求較低，不要求連續(xù)可導，甚至目標函數可以分段。在本文所提模型中，需調用外界仿真軟件獲得系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析結果，因此傳統(tǒng)經典算法無法處理這一問題。

2.4儲能工作策略

儲能工作策略包括經濟性最佳策略和可靠性最佳策略。1）經濟性最佳策略：儲能發(fā)揮削峰填谷的作用，充分利用峰谷價差，實現(xiàn)經濟效益最大化。即儲能只在低谷電價時段和光伏發(fā)電多余時充電，在高峰時段放電。2）可靠性最佳策略：儲能發(fā)揮平抑光伏發(fā)電波動性和減少高峰從電網購電的作用，最大化消納光伏發(fā)電，以便于最大限度地保證電網的安全平穩(wěn)運行。即儲能只在光伏發(fā)電多余時充電，在電網電力自給不足時放電。

3光伏消納優(yōu)化調度模型

近年來，中國太陽能電池與組件規(guī)模迅速擴大，光伏電池制造技術進步不斷加快，產品質量位居世界前列。當前新能源已經成為我國重要的電力來源，目前已經有13個省區(qū)新能源電量的比重超過了10%。光伏能否獲得持續(xù)發(fā)展、大規(guī)模發(fā)展的關鍵因素，在于能否盡早平價上網，產生與其他類型電力相競爭的市場化競爭力。而決定發(fā)電成本的關鍵因素是光伏發(fā)電系統(tǒng)的價格和發(fā)電效率，首先需要解決的問題是大規(guī)模光伏并網之后，系統(tǒng)如何實現(xiàn)優(yōu)化調度的問題。為此，本文構建了光伏消納優(yōu)化調度模型，該模型由目標函數和約束條件構成。光伏消納優(yōu)化調度模型的目標函數為光伏功率消納最大： 式中，ΔPi為第i個光伏電站的光伏消納功率;N為系統(tǒng)中并網的光伏電站數目;Δt為光伏消納周期的時間間隔，一般取15min為一個時段。光伏消納優(yōu)化調度模型的約束條件主要包括系統(tǒng)的功率平衡約束，節(jié)點電壓和支路潮流約束，系統(tǒng)中常規(guī)火電機組出力約束等。由于光伏電站的裝機容量有上限值，故存在光伏出力最大值約束，一般取為額定容量。除此之外，由于光伏出力的波動性和不確定性，系統(tǒng)必需設置一定的備用容量，以使得光伏出力波動較大時系統(tǒng)仍能滿足功率平衡約束。系統(tǒng)的旋轉備用容量約束為： 式中，HG，i，t為系統(tǒng)中第i臺機組在時段t的啟停狀態(tài)，PmaxG，i為第i臺機組的額定容量，α和β分別為系統(tǒng)的上下旋轉備用容量的需求系數，Sdt為系統(tǒng)中負荷的備用容量需求系數，Ppv，t為在時段t的光伏出力數值。式為系統(tǒng)的上旋轉備用容量約束，表示當系統(tǒng)的光伏出力不足時，系統(tǒng)中的常規(guī)機組應能增大出力，滿足系統(tǒng)的負荷需求。式為系統(tǒng)的下旋轉備用容量約束，表示當系統(tǒng)的光伏出力過大時，系統(tǒng)中的常規(guī)機組應能降低出力，以使系統(tǒng)仍能保證功率平衡，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。上述光伏消納優(yōu)化調度模型可采用常規(guī)的內點法迭代優(yōu)化計算，該方法具有計算結果準確，收斂可靠的優(yōu)點，在數據優(yōu)化模型的求解中得到了廣泛的采用。內點法計算優(yōu)化模型的原理是迭代計算，當計算誤差在允許范圍內時，可認為已經找到了一個最優(yōu)解點，之后再繼續(xù)尋找下一個時段的下一個最優(yōu)解點，直到完成系統(tǒng)中所有時段的優(yōu)化計算。將系統(tǒng)中全天的光伏消納功率總加，結果即為系統(tǒng)中全天的光伏消納電量。

結語

目前國家一直鼓勵光伏發(fā)電項目靠近電力負荷建設，接入中低壓配電網實現(xiàn)電力就近消納。各類配電網企業(yè)將為分布式光伏發(fā)電接入電網運行提供服務，優(yōu)先消納分布式光伏發(fā)電量，建設分布式發(fā)電并網運行技術支撐系統(tǒng)并組織分布式電力交易。此外，太陽能光伏市場應用將呈現(xiàn)寬領域、多樣化的趨勢，適應各種需求的光伏產品將不斷問世，除了大型并網光伏電站外，與建筑相結合的光伏發(fā)電系統(tǒng)、小型光伏系統(tǒng)、離網光伏系統(tǒng)等也將快速興起，因此光伏并網后的優(yōu)化調度方法將發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻：

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（作者單位：國網山西省電力公司大同供電公司）